Спосіб вимірювання напруженості магнітного поля і магнітометр для його здійснення

1. Спосіб вимірювання напруженості магнітного поля, згідно з яким напруже ність магнітного поля перетворюють в електричну напругу за допомогою приймальної котушки і обробляють отриманий сигнал, який в і д р і з н я є т ь с я тим, що перетворення напруженості магнітного поля здійснюють при температурі оточуючого середовища, а попередню обробку сигналу проводять в умовах надпровідності. 2. Магнітометр для вимірювання напруженості магнітного поля, який складається з приймальної котушки і підімкненої' паралельно схеми обробки сигналу, який в і д р і з н я є т ь с я тим, що схема обробки сигналу виконана у вигляді надпровідного польового транзистора, розташованого у кріостаті і під'єднаного .електродами витоку і стоку надпровідного каналу до приймальної котушки. Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для відтворення, контролю та вимірювання слабких постійних і змінних магнітних полів. Відомі способи та пристрої для перетворення напруженості слабких змінних магнітних полів у вимірювану величину, якою є електрична напруга. Вони складаються з приймального надпровідного кільця квантового перетворювача та електронної схеми керування і обробки сигналу. У таких магнітометрах приймальна котушка (ПК) і надпровідний квантовий інтерференційний перетворювач (НКІП) знаходяться у кріостаті при температурах рідкого гелію, кисню або азоту, а електронна схема керу вання і обробки - при температурі оточуючого середовища. Серед відомих способів вимірювання напруженості магнітного поля найбільш близьким за технічним змістом є здійснення прийому магнітного поля ПК, модуляції і зворотнього зв'язку відповідною котушкою, квантування електричного сигналу та його попереднього підсилення у трансформаторі. Усі перелічені дй здійснюються у кріостаті, де забезпечуються умови надпровідного стану усіх згаданих елементів. Подальша обробка електричного сигналу проводиться у звичайних умовах. З відомих пристроїв найбільш близьким за технічною суттю є індукційний пе (21) (22) (24) (46) (56) С > 00 11 / О 21185 ретворювач (ІП), що складається з ПК і підімкненої паралельно схемі підсилення сигналу. Проте, навіть при застосуванні інтегральної технології для мікромініатюризації приймальної одно- або трикомпонентної системи котушок не досягається висока мобільність і гнучкість приймача надпровідного магнітометра. Це пояснюється тим, що за будь-якої конструкції такого магнітометра необхідним елементом його приймальної частини є охолоджувальний контур, якому властиві значні об'єм і маса. Необхідний жорсткий зв'язок між приймальним кільцем і НКІПом з одного боку та системою забезпечення кріогенної температури з іншого. Задача, що вирішується винаходом, полягає у підвищенні чутливості, розширенні смуги робочих частот, покращенні роздільної здатності, а також зменшенні маси та енергоспоживання надпровідного магнітометра. Поставлена задача в запропонованому способі вирішується тим, що перетворення напруженості магнітного поля в електричну напругу здійснюється за допомогою ПК при температурі оточуючого середовища, а попередню обробку отриманого сигналу проводять в умовах надпровідності. Посгавлена задача в запропонованому пристрої вирішується тим, що у магнітометрі, який складається з ПК і підімкненої паралельно схемі обробки сигналу, остання виконана у вигляді надпровідного польового транзистора (НПТ), розташованого у кріостаті і під'єднаного електродами витоку і стоку надпровідного каналу до ПК. Технічний результат від впровадження описаного способу полягає у можливості використання надпровідної схеми обробки сигналу ПК !П магнітного поля, а, отже, її функціонування у режимі короткого замикання для отримання широкого діапазону частот перетворюваного сигналу. . Технічна задача, що вирішується запропонованим пристроєм, полягає у підвищені чутливості, покращенні роздільної здатності, а також зменшенні маси та енергоспоживання надпровідного магнітометра. На кресленні зображені: структурнофункціональна схема (фіг. 1), структурноелектрична схема (фіг. 2), електрична схема (фіг. 3) та графіки на координатній площині (фіг. 4). На фіг. 1 поданий НЮП магнітометр, що складається з кріогенної установки та 5 10 15 . 20 25 30 35 40 45 50 55 блоків електроніки. У кріостаті 2, наповненому рідким гелієм, киснем або азотом, знаходиться, приймаюче магнітний потік, надпровідне кільце та НКІП 1. У подальшому сигнал НКІПу попередньо підсилюється до заданого рівня електронною схемою 3 та формується у вигляд, придатний до відтворення, блоком 4. На фіг. 2 подана будова пропонованого магнітометра, що складається з вміщеної у магнітний екран ПК та НПТ, який знаходиться у кріостаті. ПК та НПТ розкриті своїми еквівалентними схемами. На ПК діє магнітний потік напруженістю Н, вихідний сигнал ПК передається електростатично екранованим провідником на виток НПТ та V є вихідним сигналом приладу. На фіг. З подана еквівалентна шумова схема магнітометра з джерелами шумів ЕшИ, Еш та Іш і сумарною напругою шуму на виході НПТ 0 ш . На фіг. 4 поданий поріг чутливості пропонованого приладу у порівнянні з відомими аналогами у широкій смузі частот в одиницях фсмтотесла. Суть способу полягає в тому, що на відміну від відомих аналогів, у ньому ПК не потребує додаткового охолодження для перетворення напруженості магнітного поля у вимірювану величину і у кріостаті знаходиться тільки надпровідний пристрій попередньої обробки сигналу. Цим досягається покращення роздільної здатності та чутливості при вимірюванні напруженості магнітного поля,, отримання більшої гнучкості та мобільності при відборі даних, зменшення маси, габаритів та енергоспоживання завдяки скороченню охолоджуваного об'єму, а також покращення електромагнітної сумісності під час проведення вимірів за рахунок можливості рознесення на значну віддаль ПК і надпровідного пристрою попередньої обробки сигналу. До переваг даного способу слід віднести можливість застосування ПК довільних габаритів, оскільки вони не обмежені розмірами кріостата. Суть вимірювального пристрою полягає у тому, ш.0 порівняно з відомими аналогами у магнітометрі зменшені власні шумові флюктуації схеми попередньої обробки електричного сигналу ПК, завдяки застосуванню НПТ, внаслідок чого підвищена чутливість магнітометра. Розширена смуга вимірюваних частот від нуля включно (постійне МП) до надвисоких. При цьому функціонування пристрою відбувається у двох режимах, в залежності від відношення струму у каналі НПТ до критичного струму надпровідника каналу. 21185 Пристрій працює таким чином. ціонування. Якщо \л !о, то НПТ ним опором R послідовно з'єднана з випочинає генерувати копивання на частоті током НПТ [6], який використовується як Джозефсона. Тому, з метою виділення коамперметр з нульовим опором, що перетрисного сигналу та перетворення його в ворює струм витоку Ів у напругу затвора необхідний вигляд, вводяться додаткові блоV... 10 ки обробки сигналу, згідно до позицій 3 і 4 на фіг, 1. визначається е.р.с. Ео у вигляді: Зважаючи на те, що максимальна ефективність перетворення відбувається N (1) при Ів = \J J2 , точка максимальної чутли15 вості може бути встановлена прикладанде ц - магнітна проникність вакууму, \і0 = ням додаткового постійного МП [6]. Окрім = 4 - 1 0 7 Гн/м; цього, постійна напруга зміщення затвору (і з ф - ефективна магнітна проникність НПТ необхідна для отримання максимальосердя котушки; ного Іо каналу [8]. N - кількість витків ПК; 20 Коефіцієнт перетворення надпровідно• d - середній діаметр ПК; го індукційного магнітометра (HIM), еквіzk - імпеданс ПК. s валентна схема якого подана на фіг. 2, із Оскільки при підімкненні ПК до надпврахуванням виразу (І) приймає вигляд: ровідного каналу НПТ виконуються умови роботи ПК у режимі короткого замикання [7], то формула (1) може бути значно спрощена: 2 5 (3). де С - ємність затвору НПТ; К (2) toL 4L ЗО QG - чутливість критичного струму до заряду затвора [6]; Розглянемо можливі режими роботи сот - тісно пов'язана з малосигнальпристрою в залежності від виду МП ною провідністю НПТ при V BC =0. постійне і змінне чи тільки змінне, та його Врахувавши вирази (1) і (3), отримуєінтенсивності - струм ПК Ів менший чи 35 мо залежність між вимірюваною напружебільший Іо - критичного струму надпровідністю МП Н і вихідною напругою на затного каналу НПТ (і а Іо). ворі НПТ: Окрім цього в усіх згаданих режимах w _ Q h to (Q ) роботи можливе застосування у ПК феро_ 2е магнітного осердя з метою концентрації 40 МП. (4) - (H e H-N*d 2 H/4U e ) 2 ) Конструкція пристрою для вимірювання постійного і змінного МП повинна бути виконана у вигляді, поданому на фіг. 1. Для визначення порогу чутливості (ПЧ) •ПК 1 знаходиться у надпровідному стані, 45 HIM у широкій смузі частот розглянемо а замість НКІПу застосовується НПТ у його шумову схему (фіг. 3). При VBC = 0 вхідний опір НПТ нульовий, а провідність відповідному ввімкнені. безмежно велика. Якщо знехтувати джеВимірювання змінного (відносно ПК) релом шумового струму Іш, який у польоМП не вимагає забезпечення надпровід50 вому транзисторі надто малий, то шумова ного стану ПК. Тому ПК може бути виненапруга Еш визначається як сена за межі кріостата (фіг. 2) на довільну віддаль та виконана у вигляді фізичного 1 , . - _ тіла з необхідними масо-габаритними па(5) Е.а. = к Т раметрами. В обох вказаних видах, МП може бути 55 де у - відношення кінетичної енергії перізної інтенсивності. Відповідно, наведереходу Джозефсона до термічної енергії; ний ним у ПК струм Іа, що подається Vc - характеристична напруга. безпосередньо у канал НПТ може бути Тоді сумарна напруга шуму на виході меншим чи більшим Іо. Тому можливі два HIM від обох некорельованих джерел шуваріанти конструкції приладу та його функМУ Е ш В та Еш [7]: N ті d a G L T G 21185 8 нітометрами показане на фіг. 4. Подані шумові характеристики у широкому частотному діапазоні високочутливих магніток Т (у^ I g,c + 4 R метрів (НКІП та ІП і розрахований за форК мулою (7) ПЧ HIM. Нумерація ліній на графіку відповідає еквівалентному шумо(6) вому магнітному потоку В НіМ вказаних магде сумарна ємність Cz - Co + С; нітометрів: К - коефіцієнт підсилення НПТ. 1) ІП з параметрами польового транЗгідно до виразів